金屬光學

金屬光學（metal, optics of）是研究金屬的光學性質及其與金屬物質結構關係的學科。金屬最顯著的光學特性是反射高，吸收強，要薄到300—400埃才開始透光。這同金屬具有良好的導電性有關。

基本介紹

• 中文名：金屬光學
• 外文名：optics of metals
• 建立時間：19世紀中葉
• 研究內容：金屬的光學性質

理論詮釋

光波是電磁波，在金屬中傳播時會因熱損耗而衰減，造成金屬媒質對光的吸收。吸收媒質中的光波是單色平面波，金屬最主要的光學性質是它對光的吸收和反射，而反射率和吸收率均由其復折射率：

金屬光學

n=n－iχ

決定。式中n為實折射率，χ是消光係數，決定波的衰減。二者常稱為金屬的光學常數。復折射率n的引入，使透明媒質情況的各項公式（如折射定律、菲涅耳公式等）在吸收情況下形式仍然有效（見光的吸收）。
光由空氣正入射到金屬表面時，根據菲涅耳公式反射率為：

R=[(n－n₀)²+χ²]/[(n+n₀)²+χ²]

式中n₀為空氣的折射率。而吸收率為：

A=1－R=4n₀n/[(n+n₀)²+χ²]

光在金屬中傳播時其強度I的衰減規律則滿足比爾定律：

I=I₀e^－αZ

式中I₀為波長為λ的入射光的強度，α為總極化率，Z是光的傳導深度，稱為吸收係數。

金屬光學

金屬的光學常數n和χ隨光波長λ而變。從近紅外向長波方向，二者隨λ單調增大，這是由於在此波長範圍內金屬中的自由電子與光的相互作用起主要作用。從可見光向短波方向，因光子能量較高，金屬電子的帶間躍遷開始參與作用，使n和χ都與金屬結構直接有關。金屬光學研究電磁波與金屬的相互作用，也屬於固體物理學範疇。

發展簡史

金屬光學的發展歷史可追溯到19世紀中葉提倡光的彈性以太理論時期，透明媒質的菲涅耳公式（見光在分界面上的折射和反射）那時已建立起來。人們開始注意研究金屬的反射性能，並測量了它的折射率和吸收係數。但是金屬光學的重大進展是在麥克斯韋光的電磁理論問世之後。特別是20世紀初，P.德魯德將經典電子論套用於金屬媒質，使金屬的光學常數同其自由電子參量建立起關係。但理論和實驗不盡一致。此後的研究工作主要在實驗方面。例如，在高真空中製備樣品，提高光學量的測量準確度，進行低溫測量以觀測溫度效應等等。隨著固體物理學的發展，金屬光學到50年代便完全納入固體物理學的研究領域，以量子理論為理論基礎了。但由於歷史原因，一些光學教本現仍辟有“金屬光學”章節，主要討論金屬的巨觀光學性質及其經典色散理論（其他可參見固體的能帶等）。

金屬光學眼鏡

學科簡介

下面主要討論金屬的光學性質和根據經典電子理論（見金屬電子論）來簡單分析金屬的光學性質。
金屬對光的反射，同樣可根據菲涅耳公式來計算有關各量。線偏振光經金屬界面反射一般成為橢圓偏振光。

金屬光學

在金屬的強吸收區，光波僅能進入其界面內極薄一層地區。按照交流電輸送技術用語，人們亦稱此為趨膚效應。

金屬的光學常數n、χ隨波長改變，即二者有色散。按照固體理論，紅外區以遠是金屬中傳導電子（經典自由電子）同光相互作用起主導的波段，即色散機制來自導帶電子的帶內運動；而紫外一端，光子能量較高，金屬電子的帶間躍遷開始參與作用。

金屬光學常數的色散特性，主要是長波部分，可用經典電子模型來說明。按照這一模型，金屬中存在大量脫離原子束縛的自由電子，金屬的導電性、導熱性等均歸於其自由電子的行為。
在靜電場下，金屬中的自由電子獲得附加定向速度，形成傳導電流。嚴格計算需藉助統計理論。

金屬光學

反常趨膚效應。電磁場的趨膚深度與金屬的電導率成反比。降低金屬溫度T，可減小趨膚深度。當趨膚深度接近甚至小於金屬中傳導電子的平均自由程時，就必須考慮電磁場的空間衰減對電子運動的影響。這時通常的歐姆定律和以此為基礎的經典理論均告失效，結果產生反常趨膚效應。這主要是一個高頻和低溫效應，顯然這時傳導電子在金屬內表面上的散射機理和能量損失決定吸收率。
1940年，由於雷達研究的需要，A.皮帕德在測量Sn的高頻低溫電導率時發現了這一效應。隨後有人給出了詳細的理論分析。

金屬光學

光學現象的量子理論涉及金屬的微觀結構，已歸入固體物理學。在金屬光學的經典理論中，出發點是麥克斯韋方程組，在麥克斯韋方程中只需加入與金屬電導率有關的項，並引入復電容率，就可以把金屬中遵守的電磁方程組簡化成與在普通透明介質中的完全相同的形式，對透明介質適用的所有結論均可在形式上用於金屬。光在金屬表面反射及在金屬中傳播時表現出來的特殊行為都起因於消光係數χ的存在。

經典金屬光學研究的問題包括：光在金屬表面反射時的能量分配和偏振結構、n和χ的實驗測量、經典色散理論、正常趨膚效應和反常趨膚效應等。